国内外太阳能技术现状及其发展

1、国内外太阳能技术现状及其发展标准化文件发布号：（9456EUATWK-MWUB-WUNNINNULDDQTYKII国内外太阳能技术现状与发展情况摘要：简析太阳能技术原理，太阳能发电技术分类及发展状况。展现太阳能技 术在当今世界发挥的巨大作用及其地位，通过对各种相关技术的介绍分析了解 不同发电技术的应用情况及优缺点。关键词：太阳能太阳能发电技术热发电光伏发电热存储1.太阳能技术1.1太阳能简介太阳能(Solar Energy), 一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作 发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以 阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但

2、在化石燃料减 少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用(光热转换) 和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是 地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。1.2太阳能发电技术分类目前。应用的主要太阳能发电技术分类如表1所示。其中，非聚光类太阳 能热发电技术有太阳池热发电、太阳能热气流发电等；聚光类太阳能热发电技 术有塔式太阳能热发电、槽式太阳能热发电、碟式太一12 阳能热发电。较为 成熟的太阳能发电技术是太阳能光伏发电和太阳能热发电。太阳能热发电技术 通过聚光产生高温进而发电°效率较高，更具应用前景°尽管世界各国研究太 阳

3、能热发电技术已有多年。但目前只有槽式太阳能热发电站实现了商业化示范 运行。而塔式、碟式发电系统仍处于示范阶段C14* 1主姜太阳能发电技术厂太阳能苴接光发电太阳能光伏发电 太阳能光憑应发电太阳能发电J太阳能间接光发电太阳能热离子发电 太阳能热光伏发电 太阳能热温差发电 太阳能热磁流体发电太阳能光化学发电太阳能光生物发电匕太阳能热发电I.人阳能热何按发电广太阳能热直接发电聚光类太阳能热发电（中高温） I非聚光类太阳能热发电（低温）2国内外太阳能技术现状2. 1太阳能热发电太阳热发电是一种很有发展前景的太阳能利用技术。它是将太阳能集光、 集热产生高温驱动热机发电的系统。目前世界上已建成9座大型太阳

4、热电站， 总装机容全30兆瓦，主要在美国。收集太阳光提供热能的方法主要有中央接 收器、抛物面反射器和抛物面聚焦收集器三种。中央接收器是将地面反射镜聚 集到的阳光聚焦到中央接收器上。这种方法在七十年代被人们认为是最有发展 前途的。但由于存在中央接收器必须在高温下操作，体积过大等间题，使它的 前途一度变得暗淡。但专家们认为这种系统容易适应高温热贮存，它比蓄电池 或其他非热贮存有更大的经济潜力，并且指出，带有热贮存的中央接收器太阳 热发电系统可与化石燃料系统相竞争°抛物面反射器和中央接收器一样，是用 一台反射镜将太阳光聚焦在一台集热器上，不同之处是每一反射镜加热它自身 的集热器°

5、大多数抛物面反射系统都是利用流体传热，同样也存在接收器的间 题。为了解决这些间题，人们正在恢复外樵机，其中以“斯特林循环"发电系 统效率最佳。这种系统保留了光伏电池的许多优点，易于安装，无污染。无论 大小型装置效率都很高，是一种有发展前途的系统。抛物面引聚焦收集器是呈 抛物面状的聚焦槽，它是将太阳光聚焦在槽中央沿槽长方向卧置的管子上，流 体通过管子时被加热，变成蒸汽或热液体，从管子另一端出来、可用来驱动涡 轮机或其他机械。这种槽设计简单，只须增减槽的数量，便能产生较大或较小 的电量，在较低温度下也能顺利运行。专家们预测，这种技术在今后50年内 将在太阳能市场上占主导地位。此外，我国还

6、与美国合作设计并试制成功功率 为5kW的碟式太阳能发电装置样机。并在2005年与以色列合作。在江苏省南京 市建成了第一座功率为75kw的太阳能塔式热发电示范电站。并成功运行发电。 太阳能热发电具有巨大的潜力，因此对于太阳能热发电未来的发展。应着眼于 市场应用的开发。使太阳能热发电真正溶人到我们的生活当中。2. 2太阳能光伏发电2. 2. 1太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统由太阳能光伏电池组、 太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或llov,还需要配 置逆变器°太阳能光伏电池板是太阳能光伏发电系统中的棱心部分。也是太阳 能光伏发电系统中价值最高的部分。其作

7、用是将太阳的辐射能转换为电能。或 送往蓄电池中存储起来。或推动负载工作。太阳能光伏电池板的质量和成本将 直接决定整个系统的质量和成本。太阳能控制器控制着整个系统的工作状态。 并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的 控制器还应具备温度补偿的功能。蓄电池一般为铅酸电池，小微型系统中。也 可用葆氢电池、葆镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发 出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来c2. 2. 2太阳能光伏电池的原理太阳能电池内部存在P-N结。当P-N结处于平 衡状态时，在PN结处形成耗尽层。存在由N区到P区的势垒电场。当太阳光 入射的能量大于硅禁带宽度

8、的时候，射人电池内部的太阳光子。把电子从价带 激发到导带，产生一个电子一空穴对。电子一空穴对随即被势垒电场分离，电 子和空穴被分别推向N区和P区。并向PN结交接面处扩散，当到达势垒电场 边界时。受势垒电场的作用，电子留在N区，空穴留在P区，形成内建电场。 而由于内建电场的作用。N区中的空穴和P区中的。电子被分别推向对方区 域。使N区积累了过剩的电子。P区积累了过剩的空穴。即在F_N结两侧形成 了与势垒电场方向相反的光生电动势。当接人负载后，就会产生电流流出。2. 2.3在太阳电池最新技术方面，近年已有重大突破，目前较先进的单晶硅太 阳电池生产工艺有美国斯坦福大学的扩散点接触工艺，喷气推进研究所

9、的钝化 发射区工艺，橡树岭实验室的激光退火扩散炉钝化工艺,SP fre公司的沟状顶 面工艺；旧本的计算机模拟优选工艺，澳大利亚的钝化发射区背电池工艺等。 非晶太阳电池最新技术主要集中在组件的生产。在生产技术方面主要实施了绒 面氧化锡正面电极，改进尸层掺杂法，高反射率的背面金属化，组件的全激光 划线圈形以及低成本的喷徐密封技术等。另外，采用箔本征层，多结器件结构 等使a - si备件效率衰减低于1札通，过采用异质结和凸凹透明导膜基板以及 i层的高质量化尸/i界面控制技术，使电池效率大大提高。研究认为，采用多 结组件，可提高电池效率，据预测，利用各种合金制造的双结组件效率可达到 17 % ,三结组

10、件可达到24 %o多晶箔膜太阳电池是近年研究最多的一种新型 高效化合物半导体太阳电池。主要有栖锢铜(C IS )、啼化福(Cd T e )、碑化 稼(G a A :)、磷化锢(In S )等° C IS太阳电池是仅次于非晶硅的新型电池, 其性能稳定，吸收系数大，禁带宽度在1。Olev左右，其效率比非晶太阳电池 高。近年对C 了 5和CIS与非晶硅配对的两种子组件研究，已从技术研究转 向大面积工艺。目前，以CIS为基础的多晶信膜户一，异质结太阳电池效率 已达到14。1%。美国AR (为太阳能公司通过改善器件的蓝响应，改进电池设 计，用一个箱层'ds层和一个宽带隙Z , 0窗层取

11、代2。4e V带隙的Cd ,层， 使效率达到15呱。当前，c IS太阳电池的主要课题是改进晶格匹配和提高电池效率，发展多元化 合物光伏材料及盈层多结太阳电池，同时解决大规模生产的有关间题。啼化福 也是一种有前途的箔膜太阳电池材料，美国光子公司已成功地用喷射法制造了 效率为1 2。3肠的高效太阳电池和效率为7。3%的组件。同时也制造了四方 底板Cd Te组件样品。A耐成和BP so la r公司采用电沉积法，并采用新颖 的n ，一户电池设计解决了电极稳定性间题，并获得了 2铸的高效率。碑 化稼是目前唯一能以单晶箔膜太阳电池形式加以利用的材料。美国九ria二公 司已研制出A 16妞A s / G

12、a A :异质结电池，取n/ P和户/n结构时，效 率超过27 %,改进金属一有机化学气相沉积(拍陌屹，D )条件的控制，改进 电他格网规定和电缘钝化，预计效率可达到30轧在Ga A ,基片上施以为陌 屹v。技术制成的单结In G a A ：聚光太阳电池效率超过24肠，试验证明， 提高In Ga A：电流集流量可大大提高效率，这种技术也可用在多结太阳电池 上。磷化铜太阳电池具有效率高耐辐射性强的特点，可用于航天飞机。不少科 研机构在研究结的制造和电池的加工方法。美国SP 'rs公司研制的InP太阳 电池效率已达到19。5铸，太阳能研究所用半导体工艺制造的上部为In尸下 层为In Ga

13、A :的多层申联电池效率高达31。8 % ,可聚集50倍太阳光。2. 3有源太阳系统有源太阳系统是将太阳能转换为热能，用于供热水、供冷供暖、产业用热 源等的系统。具有集热、蓄热、供热水、放热等功能。太阳热水器，技术上已 相当成熟，世界上利用太阳能的国家均已达到工业性生产阶段，并作为商品进 入市场。英、澳、美、日、以色列、法国和意大利等国已广泛使用太阳能热水 器，并建立了强大的太阳能热水器工业。据报导，美国生产的平板式太阳能热 水器、真空管热水器，其性能均居世界先进水平。生产各类太阳能热水器厂家 有200多家，年销售额10亿美元以上。曰本民用型系统巳商品化，全国已安装 强制循环式太阳能热水器3万

14、多台，1990年底达到70万台，13 %以上的家庭 热水均由太阳能提供。以色列法令规定新建筑物必须配备太阳热水器，1990年 底，家用太阳能热水器普及率达到60 % ,能满足全国热水需要量的40 % ,满 足国家一次能源需求量的2%。澳大利亚是世界上太阳能热水器工业最发达的国 家之一，目前已有30多万个住宅安装太阳热水系统，在西澳大利亚洲，家庭 太阳热水器普及率已达到25 %以上。欧洲共同体为了促进太阳热水器工业的 发展，大力支持英、法、西德、意大利和希腊五国的研究开发工作,1990年底 已推广热水器3。万平方米。比1981年增长1倍，但普及率不算高。2. 4无源太阳系统无源太阳系统是收集太阳

15、光和热，利用绝热材料或建筑物进行放热调节， 控制太阳光的热传递t和方向，有效地利用太阳能的系统。过去的系统技术主 流是利用建筑物等提高无探效果。最近由于材料技术的进步，已开发使用了具 有调光材料，透明绝热材料等新机能无源太阳元件（控制能裸量及方向的能量转 换元件）的无源太阳系统。这是最有前途的系统，已引起了人们普遍的关注。 有代表性的无源太阳元件有调光材料、选择放射材料、透明绝热材料等。2. 5太阳一化学系统太阳一化学系统是以太阳能作为化学反应动力的系统，也称从动化学系 统。近年由于开发了利用光电子传递作用来促进化学反应的光催化半导体，所 以可利用太阳能进行水分解、二氧化碳固定和氮的固定等多种

16、反应。太阳化学 系统主要是光解水制氢。其一是利用阳光产生2 0 C0以上的高温，使水分解, 产生氢，这种方法目前尚难形成生产规模。另一种方法是以过镀金属络合物为 催化剂，进行光解水制氢，专家们认为，这是最佳的制氢方法。新型的太阳化 学系统，有德国的利用新的超坚韧塑料箔片太阳能收集器，用来收集太阳能， 利用太阳能进行化学反应，释放，然后再吸收氢从而获得高效能源的装置，以 色列的10千瓦化学热管系统是用64面由计算机控制的巨型菲涅耳透镜收集太 阳能。太阳能在化学热管中被一专门化学反应器吸收，在反应器中，甲烷或其 他碳氢化合物被转化为合成气体，通过管道输送到用户。3.太阳能技术的发展与展望3. 1太

17、阳能光伏发电的现状和发展趋势(1) 国外太阳能光伏发电现状和发展趋势。太阳能光伏发电产业是20世纪 80年代以来世界上増长最快的高新技术产业之一。2004年。世界太阳能光伏发 电装机总容量达到964. 9MW。2006年底达到4961. 69Mwo已经商品化、实用化 的太阳能光伏电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光电池、 带状硅电池及薄膜电池等几类。在国际市场上，太阳能光伏电池的价格大约为3. 15美元佃。光伏电池的光电转化效率也不断提高，目前，光伏发电主要集中 在日本、欧盟和美国，其光伏发电量约占世界光伏发电量的80%。今后光伏发 电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用

18、等方向发展°专家们预测 到2050年，太阳能光伏发电在发电总量中将占1315%。到2100年将约占“ 目。(2) 国内太阳能光伏发电现状和发展趋势。20世纪90年代以来是我国光伏 发电快速发展的时期。在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增强。成本不断 降低，市场不断扩大。装机容量逐年増加，2006年累计装机容量达35Mwc约占 世界份额的3% 口。10多年来，我国光伏产业长期平均维持了全球市场1%左 右的份额。到加20年前。我国光伏技术产业将会得到不断的完善和发展。成本 将不断下降。光伏市场会发生巨大的变化：预计2005-2010年。我国的太阳能 电池主要用于独立光伏发电系统。发电成本

19、到2010年将约为1.20元/kwh。光 伏发电将会由独立系统转向并网发电系统。3. 2太阳能光伏发电产业发展中需要解决的问题目前。世界太阳能光伏发电产业还处于初级阶段，为了保证太阳能光伏发 电产业的健康发展。需要做好以下工作：继续研制太阳能电池新材料，提高 电池的光电转化效率；,研究太阳能光电电池最大功率跟踪算法，实现太阳光 最大功率跟踪：3；研究太阳能光电池阵列的优化组合算法，实现太阳能光电电 池阵列的优化组合门研究太阳能光伏发电的软并网技术，减少光伏电能对电 网的冲击；5：探索并实现太阳能光伏发电与建筑物建设相结合。实现建筑物绿 色发电与自我供电；探索并出台保护太阳能光伏发电发展的政策与

20、法律、法 规。对太阳能发电电价实行保护政策。促进太阳能发电产业的发展。3. 3太阳能热发电系统的发展与展望研究低成本的反射材料、接收器和发电设备成为了降低热发电成本的关 键。也是当前热发电领域研究的重点。太阳能热发电技术商业化发展的主要矛盾是成本问题。建立高效率、大容 量、高聚光比的太阳能热发电系统是降低发电成本的主要研究方向。为推动太 阳能热发电技术的商业化，必须考虑太阳辐照的不连续性。可采取与化石燃料 互补的联合发电途径。3. 4. 1建设成本有关统计数据表明。塔式太阳能热发电站初次投资成本比例为：定日镜占 钾,蓄热占20%,发电机组、电气设备等占30%。建设成本约33。2万 元，kWo槽

21、式太阳能热发电站初次投资成本比例为：聚光、吸热部分占55%, 蓄热占20%,发电机组、电气设备等占25%。建设成本约2。5万元/ kWc与 常规火电机组建设相比。尽管考虑环境污染以及能源供给等因素，太阳能热发 电的建设成本仍然较高且难以降低，无法形成各国大规模投资建设的形势C3.4.2槽式太阳能热发电技术即使是目前已经商业示范运行的槽式系统，尽管热发电成本已经低于光伏发电 成本。却没有出现和光伏发电市场一样的快速增长。太阳能热发电的产业化还 有待关键技术的更大突破。比如提高真空集热管的效率，开发先进的热存储技 术等。目前，槽式太阳能集热管主要使用直通式金属一玻璃管，集中体现了吸 收膜层技术、玻

22、璃与金属封接技术和波纹管技术等尖端科技。只有德国 schott、以色列solei、意大利An黔lantoni公司能生产长度4 m的真空集热 管。国内高效能的真空金属一玻璃管真空集热管只能应用在小容量热力系统 中。最大加工长度仅2 mo这是大容量、高参数机组的投产应用的障碍。3. 4. 3塔式太阳能热发电技术尽管塔式太阳能热发电技术起步较早。人们也一直希望通过尽可能多的定日镜 将太阳能量集聚到几十兆瓦的水平。但塔式太阳能热发电系统的造价较高。产 业化困难重重。各反射镜在塔上形成的光斑大小随反射镜与中心塔的距离增加 而现形、增长，塔上最后形成的太阳聚焦光斑在一天内可随定日镜场的大小， 从几米变化到

23、几十米。聚光强度出现大幅度波动，因此，光学设计的复杂性大 大增加了建设成本°在塔式系统中。各定日镜相对于中心塔有着不同的朝向和 距离。因此，每个定日镜的跟踪都要进行单独的二维控制，且各定日镜的控制 各不相同，极大增加了控制系统的复杂性和安装调试特别是光学调整的难度。 对外抗风性能及对太阳能自动跟踪性能的要求提高了集热器装配的极限公差和 结构承载力要求。系统机械装置笨重等，都大大提高了系统建设费用。3. 4. 4热存储技术太阳能热发电系统在早晚或云遮间隙必须依靠储存的能量维持系统正常运行。 储能工质的工作温度范围决定了机组初参数。因而决定了机组的总体效率。使 用较多的蓄热方法为：温高导热油跃层储能，高压饱和水胞和蒸汽、熔融盐储 能，高温混凝土蓄热，SiC陶瓷蓄热